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智慧農工 還綠大地

智慧農工  還綠大地

林玉圓、陳怡如

科技

工業技術與資訊

2022-06-16 17:30

氣候變遷,旱澇交替,嚴重衝擊看天吃飯的農業,農村人口老化,無力負荷繁重農務,農業困境怎解?

臺灣以科技外溢優勢,跨域整合、農工合作,做守護環境、還綠大地的淨零先鋒!

以工輔農、以農養綠

善用農畜資源還綠大地

 

工研院

工研院團隊協助養豬戶排除發電的法規障礙,整合厭氧發酵、脫硫至沼氣發電系統等設備之建置,協助一個接一個養豬場,逐步建立起臺灣沼氣發電的規模。

 

臺灣有6,400座大大小小的養豬場,飼養豬隻超過550萬頭。早年部分豬農無力處理養豬廢水,導致臭味四溢甚至汙染河川,形成環境的沈重負擔。所幸這個情況已明顯改善,在政府與工研院的努力下,沼氣發電讓養豬汙泥變黃金,豬農不再背負環保壓力,反而一躍成為綠電與碳權的生力軍。

 

國內沼氣發電 規模已達7.2 MW

 

目前全臺養豬戶所建置的沼氣發電裝置容量,已達7.2MW,可供應1.2萬個家戶的日常用電;有別於太陽光電及風電僅能間歇性發電,沼氣發電24小時都能運轉,未來很有機會成為基載再生能源,在臺灣2050淨零路徑中擔綱重責大任。

 

養豬汙泥如何變黃金?工研院中分院產業綠色技術組副組長,同時兼任農委會沼氣發電推動計畫辦公室主任李志杰解釋,養豬廢水經過固液分離、厭氧醱酵、好氧處理等3個階段,廢水就不再髒臭,還會有淡淡的青草香,可安心放流,回歸大自然。其中在「厭氧醱酵」階段,會產生大量的沼氣和甲烷,可作為發電之用。

 

綠電與碳權

在政府與工研院的努力下,沼氣發電讓養豬汙泥變黃金,豬農不再背負環保壓力,反而一躍成為綠電與碳權的生力軍。

 

厭氧醱酵 養豬廢水產生沼氣

 

「其實困難的不是技術,而是溝通,」李志杰說,20年前國內就曾推動沼氣發電,但因技術不成熟反而讓養豬戶有所顧忌。「2015年我們開始一一拜訪養豬戶,提到沼氣發電大家都搖頭。所以我們決定換個角度來溝通,先協助養豬戶『處理廢水』。」

 

李志杰和團隊替養豬場建立廢水處理3階段流程,讓廢水合法放流,幫豬農解決環保問題;但廢水中含有大量汙泥,必須先加以去化,才能提高廢水處理效能。以往這類汙泥的處理費用每噸達7,000至2萬元,由於成本太高,養豬場索性不處理。李志杰說,「這些汙泥是寶物,是菌相豐富的有機質,就像人體腸道內的益生菌,能夠降解許多毒素,舉凡工業廢水的幾個排放標準,包括化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、固體懸浮物濃度(SS)、氨氮等,在養豬汙泥裡都有相對應的菌種可以處理。」

 

汙泥富含有機質 可降解工業廢水

 

李志杰替每個養豬場進行汙泥的菌相篩選,再與不同產業的工業廢水進行配對,「石化業、紡織業、光電業,都樂得運用這些養豬汙泥,將工業廢水中的有毒物質加以降解。」對養豬戶來說,這些以往必須花錢處理的汙泥,現在有工廠會來載走,而且還供不應求。養豬戶的環保及成本問題都得到解決,對工研院團隊信心大增,便同意進一步投入沼氣發電。

 

豬農雖有意願,還需要法規與資金的協助,工研院團隊不僅幫忙豬農與農委會溝通,同時爭取廢水處理補助。此外,豬農也須與沼氣發電產業鏈搭上線,從厭氧發酵、脫硫、發電鍋爐到發電系統,每個設備和過程都要有業者提供解決方案。在工研院的輔導下,整個產業鏈的不同廠商一一成形。「就這樣,全臺各地,一個養豬場接著一個養豬場,逐步建立起沼氣發電的規模。」

 

李志杰坦言,國內約6,400座養豬場,9成屬於千頭以下的小規模養豬場,投入沼氣發電較難達到經濟規模。這類小型豬農,工研院輔導他們將沼氣轉為熱能,作為仔豬保溫之用,取代原本耗電的保溫燈,同樣有節能環保功效。

 

豬農沼氣發電 已減碳6.4萬噸

 

過去6、7年,李志杰與團隊跑遍全臺約1,400座養豬場,建立了138座沼氣發電站,相當於減碳6.4萬噸。「很多工業大廠也跟進投入沼氣發電,因為他們運用養豬汙泥來降解工業廢水的過程中,也會產生大量沼氣。」

 

在豬農帶動、工業跟進下,國內的沼氣發電已初具規模,未來還有更大的發展潛力。依據過去幾年的經驗,團隊為每個案場設計符合需求的電力出口,例如以保證收購(FIT)模式售予台電,目前沼氣發電的躉購費率每度達5.18元,較光電及風電更高,且每年微幅上調,業主均樂觀看待售電商機。

 

而沼氣發電的業主也可選擇發電自用或供他人使用,如此一來,雖無躉購電力收入,卻能得到碳權。「全球供應鏈對淨零排放的要求愈來愈高,養豬場不必急著賣電,手上握有的碳權,未來只會更有價值。」李志杰說,目前全臺沼氣發電量,約有3成走台電FIT市場,7成是自用或供他人使用。這也促成新的商業模式,像是有工業大廠願意出資,為養豬場興建沼氣發電設備,工廠取得綠電與碳權,養豬場則享有廢水處理與收益的好處。

 

沼氣發電國家隊 對外輸出潛力大

 

國發會3月底公布「臺灣2050淨零排放路徑」,沼氣發電為主的生質能可望成為綠色能源的要角。李志杰表示,「沼氣發電不僅是能源政策,也是產業政策,目前國內對沼氣發電已有共識,也看到明確的發展方向。未來若能進一步鬆綁法規、提供誘因及補助、並鼓勵金融界參與,相信沼氣發電產業鏈的發展條件會更加成熟。」

 

展望未來,工研院過去幾年積極扎根,從豬農、設備商、系統商到綠電及碳權用戶,打造成一條龍的沼氣發電產業鏈,很有機會成為臺灣產業對外輸出的綠色契機。「印尼有許多離島漁村,缺乏電力,也無力興建發電廠,但肯定有畜牧或有機廢棄物可供沼氣發電之用。」李志杰認為,臺灣的沼氣發電解決方案因畜牧業的成功經驗,很有潛力向東南亞、南亞等地輸出,不止有潛力讓臺灣成為亞洲地區的生質能產業領導者,更能助全球2050達成淨零永續一臂之力。

 

小型豬農

工研院輔導小型豬農將沼氣轉為熱能,作為仔豬保溫之用,取代原本耗電的保溫燈,同樣有節能環保功效。
 

BOX--農漁電共生

     兼顧糧食與能源安全

 

過去,農業被視為糧食生產者,但在淨零碳排、臺灣能源轉型的趨勢下,農民還能透過綠電轉型,同時做能源生產者。向陽集團董事長陳貴光看好臺灣綠能發展,積極投入農、漁電共生,「讓土地複合式應用,為農家帶來農、電雙重收入。」

 

13年前,莫拉克颱風重創南臺灣,出身屏東竹田農家的陳貴光看到故鄉魚塭、農田遭海水倒灌淹沒,深感痛心,遂響應屏東縣政府的「養水種電」計畫,結合太陽能發電和精緻農業,進而發展「農電共生」,要翻轉農業看天吃飯的宿命。他在屏東老家建了示範場域,為全盤掌握作物生長,陳貴光採溫室栽植,並在屋頂設置太陽能板,透過精準計算的透光率,在底下種植有機蔬果。

 

農電共生

 

「最開始種菜,後來種木瓜,甚至種過香蕉、鳳梨都很成功,」陳貴光的農電共生溫室,不僅被蔡英文總統在臉書提及,就連美國在臺協會也專程來觀摩。

 

引入科技養殖 重現養蝦王國

 

近年陳貴光又積極搶進「漁電共生」,打造防疫型的溫室養殖,屋頂也架起太陽能板發電。目前向陽已陸續在臺南、屏東與嘉義等地,打造大面積漁電共生場,鎖定經濟價值高的白蝦和草蝦。

 

陳貴光表示,臺灣曾經是養蝦王國,後受疫病影響,產量逐年遞減,一定要結合科技提升品質。向陽以溫室養殖,應用智聯網把關環境、水質,自行研發水下攝影系統,遠端即時監控,現已推出標榜SPF無病原菌的「和光蝦」品牌。此外,向陽也透過漁電共生與養殖戶共利,除了幫忙建置場域,每月付給養殖戶管理費之外,收成超過標準還會分紅,透過保障穩定收入,讓農漁民生活無虞,進而吸引青農返鄉。

 

這樣的模式也獲得日本三井住友集團旗下SMFL MIRAI Partners入股,投資30億日圓,由於這是第一家日商在臺投入漁電共生太陽能電廠專案,成功提升漁電共生的知名度。向陽規畫在嘉義打造裝置總容量312MW的案場,未來3年內發電4.3億度,養殖4.3億隻白蝦,「國外進口蝦運到臺灣,產地到餐桌超過萬里,屬於『排碳蝦』,我們是『減碳蝦』,終極目標是1隻蝦可以減1度電。」

 

陳貴光的夢想還不止於此,他想打造上層種電,中層種菜,下層養魚的「農漁電共生」模式,現已初步驗證成功,待未來大規模複製;此外,向陽也計畫發展儲電,把多發的電儲存下來,讓農地一地三用,為我國糧食安全、能源安全盡一份心力。

 

四大突破!精確判讀

土壤快篩檢測掌握農地肥力

 

土壤肥力快篩檢測套組

「土壤肥力快篩檢測套組」可快速檢測出土壤中氮、磷、鉀含量,讓農民即時訂立施肥方針,提供補給。
 

如同人要吃東西,土壤也需從肥料中獲得營養。以往農民採用觀察法,判斷植株特徵給予肥料,比如葉片黃了,就加重氮肥:葉片枯了,就增加鉀肥。但施肥不像特效藥,能馬上改善病徵,必須經過代謝才有效果,當植株有問題時,想再追肥,往往已無濟於事,因此需即時掌握土壤肥力,及時施肥。

 

快篩套組國產化 適宜臺灣風土

 

目前國內農業試驗所及各區農業改良場,皆有提供免費的土壤肥力診斷服務,卻因檢查項目詳細,需耗時1個月,無法即時改善植株問題。對農試所來說,1年檢測數量高達3萬件,檢測成本約1,500萬元,所費不貲。

 

另一個快速解決方案,則是利用土壤快篩試劑。以國外快篩套組來說,只檢測氮、磷、鉀等影響肥力的三大要素,不考慮萃取時間約半小時就能知道結果,但國外的快篩套組和數值指標並不適用於臺灣土壤,工研院材料與化工研究所經理黃靜萍表示,「快篩試劑是一個很好的工具,但如果沒有搭配地域特性,對農夫的效益不大。」

 

於是在2019年,工研院與農試所展開合作,投入國產化的土壤肥力快篩檢測,操作方法很簡單,將田地土壤放入萃取瓶中加水,再加入萃取試劑,搖晃1分鐘然後靜置30秒後,即得到融出氮、磷、鉀的澄清液體,再放入呈色盒,放入呈色試劑,觀察顏色的深淺變化,只要30分鐘,就能知道土壤的氮、磷、鉀濃度。

 

專利試劑配方加數位判讀 準確率達8成

 

黃靜萍指出,雖然工研院和國外一樣採用呈色的方式,但工研院的技術有四大突破。首先是萃取試劑的配方研發,由於快篩是利用水萃取出土壤裡待測的氮、磷、鉀離子,但當土壤分散在水裡時,「就像爛泥巴一樣,水是濁的,」國外快篩是透過沉澱方式,等水變乾淨,「快的話等到隔天,但有些土等1個月也不見得會澄清。」於是工研院研發萃取試劑,僅捕捉讓土壤變混濁的微小粒子,卻會放過氮、磷、鉀離子,只要搖晃後等待短短30秒就能得到乾淨的萃取液。

 

第二是呈色試劑的配方研發。黃靜萍表示,呈色反應跟溫度和時間有關,在大太陽底下和在冷氣房裡的顏色反應不同;而時間則與反應速度有關,「就像新冠的快篩試劑,之所以要等15分鐘,就是要等它完全反應才準,太快或太慢都不行;如果反應速度沒有控制好,顏色就會一直改變。」於是團隊在研究呈色試劑的配方時,把溫度和時間全都考量在內,才找出最佳配方。

 

第三是呈色盒為獨家專利設計。它是透明盒子,光線、角度都會影響人眼對顏色的判斷,於是團隊在盒子外側加上阻擋陽光的遮光層,把光的干擾消除7成。而呈色盒外的對照色卡,國外產品是由淺到深的方式排列,但團隊採取錯位的方式呈現顏色,「因為人眼會視覺疲勞,依序排列容易感到疲累,錯位設計是為了擾亂視覺,讓你更容易對照。」

 

最後,除了肉眼判斷還不夠,團隊更進一步提供數位判讀服務,農民只要用手機拍下液體顏色,上傳雲端,AI演算法會自動匡列色卡辨識比較顏色相似度,直接顯示氮、磷、鉀比對色階,將比對準確率從肉眼判讀的5成提升至8成。

 

土壤營養源呈色試劑S流程

 

大數據分析 建立完整施肥平台

 

這套快篩套組除了快速和準確率高等優勢外,更節省農民成本。國外套組檢測1次要100元,工研院透過推出試劑補充包的方式,將成本大減一半。從施肥角度來看,掌握土壤肥力也能避免過度施肥,約可減少20%〜50%的施肥量,若以1公頃肥料成本年省2,000元、全臺稻米耕種面積26.3萬公頃來計算,1年就能省下高達5.3億元的肥料費用。

 

先前工研院的團隊已在高雄湖內、雲林土庫和臺中神岡等地,完成青花菜、玉米、花生、蘆筍、火龍果等作物的樣本實測,最近也將導入台糖的甘蔗田,從今年開始,團隊更選定恆春的洋蔥田,進行長期的場域驗證。

 

團隊還有一個更大的目標,透過長期蒐集檢測數據,連結地區、植株、土壤肥力和施肥的關係,建立完整資料庫平台,提供農民精準的施肥建議。從土壤快篩模組到大數據分析,臺灣農業的智慧化在科技的幫助下,正大步向前邁進。

 

大數據幫農民看風水

病害預警提高作物良率

 

作物病害

作物病害精準預警系統以感測技術監控氣候及土壤環境,預測洋蔥感染炭疽菌的準確度高。
 

老農交棒、青農崛起,國內農業人口的世代交替,讓農民對科技的接受度大大提升,也帶動了農工合作的契機。尤其在農作物病害管理方面,過去往往要靠農民的經驗與直覺,然而一旦發現作物枝葉狀況不對,多半都已經來不及,嚴重的話整片田作物都遭殃,損失相當慘重。

 

天氣是作物生長最重要的因素,農夫每日巡田水,就是藉著細心觀察風土徵候,及時排除作物疑難雜症。工研院開發的「作物病害精準預警系統」,以感測技術監控氣候及土壤環境,預測洋蔥感染炭疽菌的準確度,高達75%。由於成效良好,目前運作規模已從2公頃的實驗田,擴展到上百公頃,未來將進一步從開放田間走進溫室,並強化邊緣運算及控制,嘉惠更多農民。

 

微環境監測 精準預測炭疽病

 

工研院中分院副執行長李士畦指出,炭疽真菌對於大部分的農民來說,是非常頭痛的病害來源,受害的農作物類型廣泛的包括了花卉、蔬菜、果物等,可以說是多類型農產業面臨的共同殺手,因此在開發「作物病害精準預警系統」之初,便鎖定影響力廣泛的炭疽病為防治目標。

 

「遇到炭疽真菌感染,傳統的作法包括:施藥,以及對土壤進行灌水、灑生石灰或以蒸氣薰蒸土壤等。但這些都是事後處理,其實如何及早發現、早期預警,才是減少病害影響收成的根本,」李士畦解釋,農地裡所謂「微環境」,包括周邊氣候及土壤環境等因子,經過農試機關的指導與共同長期觀察發現,當氣溫驟然升高至攝氏30度以上、飽和濕度達到100%時,炭疽菌發病的機率最大。

 

研究團隊花了2、3年,與農民合作在田間設置了工研院開發的整合型氣候與土壤微環境監測軟硬體系統,一方面紀錄微環境參數,一方面再委請改良場的農業專家協助辨識植物發病特徵,兩者相互參照,建立了作物病害圖譜資料庫。「資料庫的作用在告訴我們,在什麼樣的微環境下,病害最容易發生,」李士畦表示,只要環境達到病害發生條件,系統會立即傳訊息到農民手機,農民簡單地透過手機中的燈號,就可以機動的到田間確認作物狀況,當下決定處理方式或進行預防性投藥。

 

軟硬整合優質平價 符合農民需求

 

與目前市場既有田間環境監測方案相比,工研院「作物病害精準預警系統」的兩大特性為:軟硬整合、優質平價,更符合種植經濟作物的農民需求。「市場上有些系統商的方案功能強大,嵌入式電路加上可程式化邏輯控制(PLC),再配合人機介面的系統,每套要價數十萬到上百萬元,其實比較適合應用於需要精準環控的植物工廠或如蘭花等高經濟價值的場域。」李士畦分析,至於平價的軟硬體套件,因市售硬體大多不是臺灣自製,屬於進口的元件還有可能將收集到的資訊,透過所附軟體轉換傳送到國外資料庫,對國內產業的發展其實是相對不利的。

 

「作物病害精準預警系統」的軟硬體整合由工研院開發,掌握包括電路設計、控制晶片等關鍵元件都可以在臺灣設計與製造的技術與成本優勢,廠商的供應鏈還可以充分支援客製化,衍伸出多樣化的系統產品組合,例如可監測土壤、水位與氣候條件,也能同時遠端控制水門的「可監可控」巡田水系統。此外,還能結合小功率基地台,透過每個基地台支援10組以上的感測器,有別於其他市場解決方案,每個感測器須內建SIM卡傳輸,讓架構更精簡、成本更優化。

 

「同樣面積的農地,工研院技術省下了不少的硬體及通訊費用,價格僅舶來品的七分之一。如此一來,當農會有能力負擔,代表更有機會推廣給農民使用,這不只在臺灣,全世界都需要,」李士畦說。事實上,就連農耕技術精良的日本,雖也有類似的感控系統,卻因價格不夠親民也同樣面臨了普及的問題;工研院的「智慧巡田水系統」,因系統整合佳且具成本優勢,目前也獲得了日本愛知縣農民的採用。

 

作物病害精準預警系統

作物病害精準預警系統透過即時通訊軟體,以紅綠燈號呈現田間環境,農民收到訊息,可機動至田間確認作物狀況。

 

簡化傳輸架構 導入溫室環境

 

李士畦說,這套系統還在不斷精進,目標在簡化傳輸架構與流程,往邊緣裝置的單晶片(On-chip)資料庫及運算發展,除了減少連結雲端的通訊成本,也不用擔心雲端與邊緣傳輸中斷時造成的資料流失、運作失靈。「作物病害精準預警系統」在充滿複雜變數的開放田間試行成功,未來也將導入溫室系統,由於溫室內的環境條件可控,預警準確度可望進一步再提升。

 

「農工合作不只是科技,也是一門藝術,如何讓農民願意擁抱新技術、必須投入時間和心力。」李士畦說,農民接到「作物病害精準預警系統」的通知,前往田裡也看到葉片真的出現病徵,就能深切體會到這套系統的價值,信心大增,口耳相傳下,科技與農業的合作也將日益擴散深化。

 

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